Гравитационные волны это что: история изучения и открытие LIGO — все самое интересное на ПостНауке

последний штрих в картине происхождения Вселенной?

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №6(150), 25 марта 2014 года

17 марта 2014 года появилась сенсационная новость: открыты гравитационные волны! Те СМИ, что посерьезней, уточнили, что речь идет об открытии реликтовых, или первичных, гравитационных волн, а подтверждение их существования получено не прямым, а косвенным путем, через микроволновое реликтовое излучение. Самые продвинутые добавили, что открытие подтверждает теорию космологической инфляции, объясняющей происхождение Вселенной. Что же произошло и каково значение возможного открытия?

Вопросы, поставленные первой космологической революцией

Тот факт, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва, был прекрасным образом подтвержден в 1964 году, когда зарегистрировали реликтовое излучение. Собственно, и до этого мало кто сомневался, но вот это открытие поставило жирную точку. Так закончилась первая космологическая революция, начавшаяся в 1915 году построением общей теории относительности.

Любая научная революция решает одни вопросы и ставит другие. Новые вопросы были очень простыми и одновременно обескураживающими:

• Почему Вселенная со всех сторон одинаковая? Ведь разные части Вселенной какое-то время после Большого взрыва ничего «не знали» друг о друге — они не могли обменяться никакими сигналами из-за конечности скорости света, иными словами, не были причинно связаны. Почему же они начали расширяться одновременно и оказались столь похожими?
• Почему параметры Большого взрыва оказались так точно подогнаны, что Вселенная не схлопнулась в первые мгновения или не разлетелась вдребезги, а мягко «притормозила» через миллиарды лет? Чуть более строго вопрос звучит так: почему Вселенная оказалась настолько «плоской»?
• Что послужило первичным толчком для Большого взрыва?

Есть и другие вопросы, но они уже выходят за рамки газетной статьи и требуют для изложения полноценной книги, каковая, надеемся, вскоре будет представлена читателям.

Вторая космологическая революция

В начале 1980-х годов был найден правдоподобный ответ на перечисленные выше вопросы. За мгновение до Большого взрыва произошло раздувание некоего микроскопического зародыша Вселенной на десятки порядков величины. Механизм такого раздувания заложен в уравнениях общей теории относительности. Он работает, когда пространство заполнено однородным скалярным полем с огромной плотностью энергии. Или, что почти то же самое, — когда плотность энергии вакуума огромна. При этом расширение Вселенной происходит по экспоненциальному закону: в каждый определенный промежуток времени расстояние между любыми  двумя точками удваивается. Причем время удвоения выражается немыслимо малой величиной типа 10^–37 с. Этот процесс называется космологической инфляцией (английское слово «inflation», известное нам из экономики, переводится как «раздувание»).

Чтобы инфляция сделала свою работу по сотворению большой однородной Вселенной, достаточно 10^–35 с. После этого скалярное поле, или «тяжелый вакуум», выгорает, превращаясь в частицы, — это и есть Большой взрыв — образование горячей Вселенной, которая продолжает расширяться по инерции и остывать. Однородность и «плоская» геометрия (а значит, и долгое будущее Вселенной) при этом обеспечиваются автоматически. Это и есть «первичный толчок», причем именно такой, что отвечает на поставленные вопросы.

Героями второй космологической революции стали Алексей Старобинский, разработавший исторически первую жизнеспособную модель инфляции, Алан Гут (Alan Guth), разработавший и очень хорошо мотивировавший сценарий инфляции, который «пошел в народ» и фактически сменил космологическую парадигму (хоть и был неправильным в конкретной реализации), и Андрей Линде, который довел теорию инфляции до ума и сделал следующий шаг.

Этот шаг заключался в открытии довольно очевидного факта: процесс инфляции не заканчивается формированием Вселенной, а продолжается вечно, рождая бесконечное число вселенных, похожих и совершенно не похожих друг на друга. Есть и другие герои истории, но здесь как всегда возникает проблема, где подводить черту.

Рябь Вселенной

Реликтовое излучение, обнаруженное в 1964 году, не что иное, как свет, испущенный плазмой, заполнявшей Вселенную, когда ей было 380 тыс. лет от роду. В тот момент плазма превратилась в нейтральный газ, прозрачный для фотонов. Говоря по-научному, произошла рекомбинация. Плазма на отметке 380 тыс. лет закрывает всё, что дальше от нас по времени и по расстоянию, — она не прозрачна для электромагнитных волн, а другие мы регистрировать не можем. Эта плазма как экран, и у нас есть снимок этого экрана — карта реликтового излучения. Что мы видим на этой карте? Почти тридцать лет на ней не видели ничего.

Вселенная однородна только на очень больших масштабах — 300 млн световых лет и больше. А на меньших мы видим скопления и сверхскопления галактик, «стены» и «войды». Откуда взялась эта структура? Если бы Вселенная была изначально совершенно однородной, то она бы не смогла образоваться. Должны быть затравочные неоднородности, которые впоследствии сгустились в галактики и их скопления. И эти неоднородности должны быть видны на карте реликтового излучения. Но долгое время, вплоть до начала 1990-х, карта представала совершенно однородной, лишенной каких-либо деталей. В какой-то момент казалось, что космология зашла в тупик. В начале 1990-х, наконец, увидели «пятнистость» карты. Ее контраст был очень маленьким, всего 10^-5, но вполне достаточным для объяснения структуры Вселенной. Как возникли эти неоднородности?

Оказывается, это тоже сделала инфляция. Неоднородности, из которых сгустились галактики и их скопления, — результат квантового эффекта. Гигантские скопления галактик — результат квантовых флуктуаций, имевших место во время инфляции! Звучит невероятно, и когда-то многие космологи отказывались признавать то, что сейчас считается общепринятой вещью. Действительно, все неоднородности Вселенной возникли как квантовые флуктуации размером 10^–27 см, которые затем были растянуты инфляцией на много порядков величины. Потом они выросли в размере еще почти на 30 порядков вместе с расширяющейся Вселенной, некоторые — до мегапарсеков, стали более контрастными за счет гравитационной неустойчивости и сконденсировались в галактики и их скопления.

Предсказания теории инфляции в точности подтвердились, когда карта реликтового излучения была снята с высочайшим качеством аппаратами WMAP и «Планк». Это произошло недавно: итоговые результаты WMAP опубликованы в конце 2012 года, а первые результаты «Планка» — в начале 2013-го. Согласие теории и наблюдений оказалось триумфальным. На рис. 1 показан так называемый спектр мощности неоднородностей реликтового излучения, который получается при разложении карты реликтового излучения по угловым гармоникам. Волны на этом спектре — результат интересного эффекта под названием «Сахаровские осцилляции», или «Акустические осцилляции», — ему посвящена наша с Валерием Рубаковым статья в «ТрВ-Наука» №83 от 19 июля 2011 года. Согласие между теорией (непрерывная кривая) всего с шестью подгоночными параметрами со столь сложной наблюдаемой картиной просто поразительно. Оно означает, что космологи очень хорошо понимают, что и как происходило в ранней Вселенной. И часть теории, описывающей данные, завязана как раз на космологическую инфляцию. Эта часть — спектр первичных неоднородностей, генерируемых инфляцией, который был впервые вычислен Вячеславом Мухановым и Геннадием Чибисовым в 1981 году. Так что триумфальное согласие теории и эксперимента на рис. 1 является также и триумфом теории инфляции.

Но картина осталась незаконченной: подтвердилось лишь то, что касалось так называемых скалярных возмущений. Дело в том, что теория предсказывала кое-что еще.

Недостающая деталь

Квантовые флуктуации, имевшие место на стадии инфляции, дали не только неоднородности плотности: они также породили реликтовые гравитационные волны. Еще до возникновения теории инфляции Леонид Грищук показал, что в расширяющейся Вселенной генерируются гравитационные волны. Впоследствии Алексей Старобинский количественно описал этот процесс для случая космологической инфляции. Гравитационные волны, как и скалярные возмущения плотности, тоже растягивались инфляционным «конвейером» от длин 10^–27 см до широкого диапазона масштабов. Эти волны живут и поныне. В отличие от микроволнового излучения (реликта эпохи рекомбинации, имевшей место через 380 тыс лет после Большого взрыва), гравитационные волны — это прямой реликт эпохи космологической инфляции, развернувшейся за 10^–35 с до Большого взрыва.

Теория инфляции подкреплена множеством фактов и доводов, но еще остается зазор для альтернативных возможностей объяснить происхождение Вселенной. Детектирование реликтовых гравитационных волн, пожалуй, должно окончательно расставить точки над i. После такого открытия за теорию космологической инфляции можно точно давать Нобелевскую премию. И еще одну за само открытие.

Амплитуда реликтовых гравитационных волн слишком мала, чтобы их можно было зарегистрировать рукотворными детекторами. Но тут на помощь опять приходит тот самый «экран», который закрывает от нас раннюю Вселенную, — плазма эпохи рекомбинации. Она и играет роль детектора, «записывая» результат в том же реликтовом излучении, которое принесло нам остальную информацию. Говоря конкретно, гравитационные волны можно увидеть двумя способами: в поляризации реликтового излучения и через спектр его неоднородностей. Первый способ более прямой, с него и начнем.

Поляризация реликтового излучения — довольно тривиальная вещь. Она возникает при последнем комптоновском рассеянии фотонов на электронах: у фотона появляется линейная поляризация, перпендикулярная плоскости рассеяния. Если среда однородна и не движется, никакой поляризации нет — всё замывается, нет выделенного направления. Но среда, как мы видим по карте реликтового излучения, неоднородна и участвует в сложных движениях. И поляризация, как выясняется, тоже есть: WMAP и «Планк» ее прекрасно чувствует. Но причем здесь гравитационные волны?

Оказывается, гравитационные волны дают другую картину поляризации, нежели обыкновенные неоднородности. Их вклад можно отличить и выделить.

Грубо говоря, картинка поляризации на небе выражается полем векторов, имеющих направление и длину. Такое поле может выглядеть как электрическое — может быть представлено как результат статического распределения зарядов. А может выглядеть как магнитное, наведенное статическим распределением токов. Эти поля четко различаются на языке дифференциальной геометрии. Первый тип поля называется Е-модой, второй — В-модой. Любое произвольное поле поляризации можно разложить на Е- и В-составляющие. Оказывается, что В-моду могут дать только гравитационные волны, но никак не неоднородности плазмы и их акустические колебания.

Правда, на пути выявления В-моды есть проблема: гравитационные линзы. Ими служат скопления галактик и элементы крупномасштабной структуры Вселенной. Эффект заключается в том, что линзы, искривляя траекторию фотонов реликтового излучения, частично переводят Е-моду в В-моду. Важно суметь выделить эффект от гравитационных волн на фоне эффекта линзирования. Есть еще пара проблем, которые обсуждены ниже.

Вторую возможность почувствовать первичные гравитационные волны дает так называемый эффект Сакса—Вольфа. Фотон, проходя через возмущения гравитационного поля, меняет частоту, испытывая красное или фиолетовое смещение, — это меняет температуру реликтового излучения. Причем эффект сильнее выражен для крупномасштабных возмущений. Поэтому эффект Сакса—Вольфа должен «приподнимать» спектр мощности неоднородностей на рис. 1 — слева от главного пика (l = 50…150).

Предыдущие данные

До сих пор следов реликтовых гравитационных волн не видели ни одним из двух перечисленных методов. Фиксировались только верхние пределы. Вклад реликтовых гравитационных волн традиционно определяется как отношение спектров мощностей так называемых тензорных возмущений (именно их и дают гравитационные волны) и скалярных (обычных) неоднородностей и обозначается, как r. Лучший верхний предел следует из данных WMAP и «Планка»: r < 0,12 (на уровне достоверности 95%) — практически одинаковый для обоих аппаратов. Это ограничение получено из анализа спектра мощности (рис. 1). Больший вклад гравитационных волн привел бы к задиранию экспериментальных точек в левой части графика относительно теоретической кривой.

Этот предел уже поставил под сомнение некоторые конкретные модели инфляции, причем самые простые. Пока наилучшим образом под него укладывается модель Старобинского, правда не она одна. Эта модель предсказывает величину r ~ 0,005. Если это предсказание верно, то до открытия реликтовых гравитационных волн должно пройти еще несколько лет — как ни мала величина эффекта, наблюдатели доберутся и до этого уровня, но всему свое время.

Лучшее ограничение на гравитационные волны через измерение B-моды, полученное наземными микроволновыми телескопами: r < 0,78 (на уровне достоверность 95%). Это данные эксперимента BICEP, развернутого на Южном полюсе. Следующая очередь этого же эксперимента, BICEP2, и произвела нынешнюю сенсацию.

Есть В-мода?

BICEP2 — довольно маленький по размеру микроволновый телескоп. Угловое разрешение — всего полградуса, зато очень низкие шумы и высокая чувствительность. Это, в частности, достигается за счет охлаждения жидким гелием основных элементов телескопа. Измерения, результаты которых только что опубликованы, проводились три сезона с 2010 по 2012 год.

На рис. 2 показаны снятые карты поляризации, разложенные на Е-моду (слева вверху) и В-моду (слева внизу). Длина черточек пропорциональна степени линейной поляризации, направление указывает направление поляризации. Справа — результат численного моделирование Е- и В-моды для случая, когда гравитационные волны отсутствуют (напомним, В-мода в этом случае появляется за счет гравитационного линзирования).

Невооруженным глазом видно, что В-мода заметно превышает фон от гравитационного линзирования. По отношению к скалярным возмущениям результат по гравитационным волнам выражается как r = 0,2^+0,07_–0,05, что неожиданно много. Научная общественность уже настроилась на то, что результат окажется существенно ниже.

Звон бокалов и сомнения

В комментариях по поводу открытия преобладает торжествующий тон. Действительно, детектирование реликтовых гравитационных волн — важнейший результат, ставящий точку в космологической революции, связанной с теорией инфляции. С виду результат выглядит надежным. Но в отличие от триумфа теории и эксперимента, состоявшегося в результате экспериментов WMAP и «Планк», в данном случае остаются вопросы. Главный из них: не противоречит ли результат данным вышеупомянутых экспериментов? Иными словами, сигнал от гравитационных волн оказался подозрительно большим.

В принципе, величина r ~ 0,2 вполне вписывается в простейшие варианты теории инфляции. Но она на три стандартных отклонения противоречит верхнему пределу «Планка», поставленному с опорой на эффект Сакса—Вольфа. Вероятность случайного отскока результата на три стандартных отклонения — два шанса из тысячи. Маловато. Правда, ограничение r < 0,12 справедливо только в предположении, что распределение неоднородностей реликтового излучения по угловому размеру (спектр мощности) описывается чисто степенным законом. Если отказаться от этого предположения, можно сильно смягчить противоречие. В препринте BICEP2 приведена картинка из статьи по результатам «Планка» именно в той версии, где предположение о чисто степенном спектре снято. Поэтому возникает впечатление согласия.

Автор проконсультировался по этому поводу со специалистами. Складывается следующая картина. Для согласия между BICEP2 и «Планком» требуется так изогнуть спектр мощности, что это требует изрядного насилия над теорией. А если не делать этого насилия, то эффект Сакса— Вольфа «задерет» спектр, показанный на рис. 1 слева (l < 150) примерно на 10%, что при данной точности будет явно противоречить данным.

Где возможна ошибка эксперимента, завышающая результат? Первое, что приходит в голову: недооценили эффект гравитационного линзирования, способного имитировать В-моду. С другой стороны, эффект линзирования исследован вдоль и поперек, существуют компьютерные программы для его моделирования. Неужели здесь может крыться какая-то ловушка?

Авторы статьи рассматривают и другой возможный источник фона, имитирующего эффект: поляризованная пыль в Галактике, частицы которой ориентируются в космическом магнитном поле. Рассеяние фотонов на этой пыли дает поляризацию, способную имитировать любую моду. BICEP2 не может выделить ее вклад, поскольку принимает только одну частоту. Это может сделать «Планк». Авторы е-принта признают, что карты распределения пыли для исследованного участка неба нет — она вскоре появится — в следующем релизе «Планка». Пока они используют модели распределения пыли и получают успокоительный вывод о том, что этот фон относительно безопасен для главного результата. Однако приходится слышать высказывания квалифицированных людей о том, что с поляризованной пылью не всё так просто и что именно здесь может быть «зарыта собака».

Но не будем гадать и забегать вперед — вряд ли вопрос о подозрительно большом вкладе реликтовых гравитационных волн зависнет на долгие годы. Во-первых, вскоре «Планк» должен прояснить ситуацию с фоном поляризованной пыли. Во-вторых, параллельно идут аналогичные эксперименты, в том числе и на Южном полюсе. Будут исследованы другие участки неба, появятся независимые результаты. Наверняка большие силы мобилизуются на изучение всевозможных эффектов, влияющих на результаты измерений. Вряд ли ответы заставят себя долго ждать.

Попробуем подытожить. Сделана серьезная заявка на важнейшее открытие, возможно ставящее точку в космологической эпопее, начавшейся более 30 лет назад. Уже раздается звон бокалов, но с окончательным празднованием победы революции в космологии, по-моему, следует немного повременить. Еще не все концы сведены с концами и не все подозрения развеяны. Впрочем, даже если результат не подтвердится, он всё равно окажется полезной встряской, мобилизующей людей на прорыв в этой важнейшей области. Такое уже случалось в космологии.

Гравитационные волны: что они собой представляют, характеристики, происхождение и значение

Мы знаем, что физика имеет множество аспектов, которые затрудняют понимание большинством людей. Один из этих аспектов гравитационные волны. Эти волны были предсказаны ученым. Альберт Эйнштейн и они были обнаружены через 100 лет после их предсказания. Они представляют собой научный прорыв в теории относительности Эйнштейна.

Поэтому мы собираемся посвятить эту статью, чтобы рассказать вам все, что вам нужно знать о гравитационных волнах, их характеристиках и важности.

Индекс

• 1 Что такое гравитационные волны
• 2 открытие
• 3 Основные характеристики и происхождение гравитационных волн
• 4 Обнаружение и важность

Что такое гравитационные волны

Мы говорим о представлении возмущения в пространстве-времени, которое порождается существованием ускоренного массивного тела, производящего расширение энергии во всех направлениях со скоростью света. Явление гравитационных волн позволяет пространству-времени растягиваться, не имея возможности вернуться в исходное состояние. Он также создает микроскопические помехи, которые могут быть обнаружены только в передовых научных лабораториях. Все гравитационные возмущения могут распространяться со скоростью света.

Обычно они возникают между двумя или более космическими телами, которые производят распространение энергии, которая переносится во всех направлениях. Это явление, которое заставляет пространство-время расширяться таким образом, чтобы оно могло вернуться в свое исходное состояние. Открытие гравитационных волн внесло очень важный вклад в изучение космоса через его волны. Благодаря этому можно предложить другие модели для понимания поведения пространства и всех его характеристик.

открытие

Хотя одной из последних гипотез Альберта Эйнштейна в его теории относительности было описание гравитационных волн, они были обнаружены столетием позже. Таким образом, существование этих гравитационных волн, на что указал Эйнштейн, может быть подтверждено. По словам этого ученого, существование этого типа волн произошло из математического вывода, в котором говорилось, что ни один объект или сигнал не может быть быстрее света.

Спустя столетие, в 2014 году, обсерватория BICEP2 объявила об открытии террас гравитационных волн, которые возникли при расширении Вселенной в Большой взрыв. Вскоре после этого известие можно было опровергнуть, увидев, что это неправда.

Год спустя ученые в эксперименте LIGO смогли обнаружить эти волны. Таким образом, они обеспечили посещаемость, чтобы объявить новости. Таким образом, Хотя открытие было в 2015 году, об этом объявили в 2016 году.

Основные характеристики и происхождение гравитационных волн

Мы собираемся увидеть, какие наиболее характерные характеристики делают гравитационные волны одним из самых важных открытий в области физики за последние годы. Это возмущения, которые изменяют измерения пространства-времени таким образом, что ему удается расширить его, не позволяя ему вернуться в исходное состояние. Основная характеристика заключается в том, что они способны распространяться со скоростью света во всех направлениях. Это поперечные волны, которые могут быть поляризованными. Это означает, что он также имеет магнитную функцию.

Эти волны могут переносить энергию с высокой скоростью и в очень далекие места. Возможно, одно из сомнений по поводу гравитационных волн состоит в том, что их происхождение не может быть определено полностью. Они могут появляться на разных частотах в зависимости от интенсивности каждого из них.

Хотя это не совсем ясно, многие ученые пытаются установить, как возникают гравитационные волны. Посмотрим, в каких возможных ситуациях они могут образоваться:

• Когда два или более космических тела очень большой массы взаимодействуют друг с другом. Эти массы должны быть огромными, чтобы подействовала сила тяжести.
• Произведение орбит двух черных дыр.
• Они могут образоваться при столкновении двух галактик. Очевидно, такое случается не каждый день.
• Они могут возникать при совпадении орбит двух нейтронов.

Обнаружение и важность

Давайте теперь вкратце проанализируем, как ученые LIGO смогли идентифицировать эти типы волн. Мы знаем, что они создают помехи микроскопического размера и что их можно обнаружить только с помощью высокотехнологичных устройств. Я также должен помнить, что эти устройства очень хрупкие. Они известны под названием интерферометры. Они состоят из системы туннелей, расположенных на расстоянии нескольких километров друг от друга и расположенных в форме буквы L. Лазеры проходят через эти километровые туннели, которые отражаются от зеркал и создают помехи при пересечении. Когда происходит гравитационная рогатка, ее можно прекрасно обнаружить по искривлению пространства-времени. Между найденными в интерферометре зеркалами происходит устойчивое образование.

Другими инструментами, которые также могут обнаруживать гравитационные волны, являются радиотелескопы. Такие радиотелескопы могут измерять свет пульсаров. Важность обнаружения этих типов волн — это то, что позволяет людям лучше исследовать Вселенную. И в том, что благодаря этим волнам можно хорошо слышать колебания, которые расширяются в пространстве-времени. Открытие этих волн позволило понять, что Вселенная может деформироваться, и все деформации расширяются и сжимаются в пространстве с волнообразной формой.

Следует отметить, что для образования гравитационных волн должны быть созданы сильные процессы, такие как столкновение черных дыр. Именно благодаря изучению этих волн, с помощью которых можно получить информацию, эти события и катаклизмы происходят в космосе. Все явления могут помочь понять и объяснить многие основные законы в области физики. Благодаря этому можно получить большой объем информации о космосе, его происхождении и о том, как звезды деформируются или исчезают. Вся эта информация также получена, чтобы узнать больше о черных дырах. Пример гравитационной волны Он обнаруживается при взрыве звезды, столкновении двух метеоритов или при образовании черных дыр.. Его также можно найти при взрыве сверхновой.

Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о гравитационных волнах и их характеристиках.

Почему важно открытие гравитационных волн

Весь мир празднует открытие гравитационных волн, которое произошло в том числе и благодаря работе российских ученых. О том, почему это событие открывает новую веху в науке и сможет ли оно принести какую-то практическую пользу, рассказывает «Газета.Ru».

Как началась охота за волнами

Гравитационные волны открыты

Впервые в истории человечество зафиксировало гравитационные волны — колебания пространства-времени…

11 февраля 18:41

«Не так давно сильный интерес научной общественности вызвала серия долгосрочных экспериментов по непосредственному наблюдению гравитационных волн, — писал специалист в области теоретической физики Митио Каку в книге «Космос Эйнштейна» в 2004 году. — Проект LIGO («Лазерный интерферометр для наблюдения гравитационных волн»), возможно, окажется первым, в ходе которого удастся «увидеть» гравитационные волны, скорее всего, от столкновения двух черных дыр в дальнем космосе. LIGO — сбывшаяся мечта физика, первая установка достаточной мощности для измерения гравитационных волн».

Предсказание Каку сбылось: в четверг группа международных ученых из обсерватории LIGO объявила об открытии гравитационных волн.

Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, которые «убегают» от массивных объектов (например, черных дыр), движущихся с ускорением. Иными словами, гравитационные волны — это распространяющееся возмущение пространства-времени, бегущая деформация абсолютной пустоты.

Черная дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница, отделяющая черную дыру от всего остального мира, называется горизонтом событий: все, что происходит внутри горизонта событий, скрыто от глаз внешнего наблюдателя.

close

100%

Ловить гравитационные волны ученые начали еще полвека назад: именно тогда американский физик Джозеф Вебер увлекся общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО), взял творческий отпуск и стал изучать гравитационные волны. Вебер изобрел первое приспособление, детектирующее гравитационные волны, и вскоре заявил, что зафиксировал «звучание гравитационных волн». Впрочем, научное сообщество опровергло его сообщение.

Однако именно благодаря Джозефу Веберу множество ученых превратилось в «охотников за волнами». Сегодня Вебер считается отцом научного направления гравитационно-волновой астрономии.

«Это — начало новой эры гравитационной астрономии»

«Новая эра в астрономии»

Интрига с открытием гравитационных волн разрешится на этой неделе. Отдел науки «Газеты.Ru» попытался…

08 февраля 10:32

Обсерватория LIGO, в которой ученые зафиксировали гравитационные волны, состоит из трех лазерных установок в США: две находятся в штате Вашингтон и одна — в штате Луизиана. Вот как описывает работу лазерных детекторов Митио Каку: «Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр (измерительный прибор) пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли.

Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно».

Сейчас коллаборация LIGO зафиксировала гравитационное излучение, вызванное слиянием двойной системы черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс в объект массой 62 массы Солнца. «Это первое прямое (очень важно, что это прямое!) измерение действия гравитационных волн, — дал комментарий корреспонденту отдела науки «Газеты.Ru» профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин. — То есть принят сигнал от астрофизической катастрофы слияния двух черных дыр. И этот сигнал идентифицирован — это тоже очень важно! Понятно, что это от двух черных дыр. И это есть начало новой эры гравитационной астрономии, которая позволит получать информацию о Вселенной не только через оптические, рентгеновские, электромагнитные и нейтринные источники — но еще и через гравитационные волны.

Можно сказать, что процентов на 90 черные дыры перестали быть гипотетическими объектами. Некоторая доля сомнения остается, но все-таки сигнал, который пойман, уж больно хорошо ложится на то, что предсказывают бесчисленные моделирования слияния двух черных дыр в соответствии с общей теорией относительности.

Это является сильным доводом того, что черные дыры существуют. Другого объяснения такому сигналу пока нет. Поэтому принимается, что черные дыры существуют».

«Эйнштейн был бы очень счастлив»

Гравитационную волну погнали слишком рано

На уходящей неделе вновь появилась информация об обнаружении гравитационных волн. Отдел науки «Газеты.Ru»…

16 января 13:50

Гравитационные волны в рамках своей общей теории относительности предсказал Альберт Эйнштейн (который, кстати, скептически относился к существованию черных дыр). В ОТО к трем пространственным измерениям добавляется время, и мир становится четырехмерным. Согласно теории, перевернувшей с ног на голову всю физику, гравитация — это следствие искривления пространства-времени под воздействием массы.

Эйнштейн доказал, что любая материя, движущаяся с ускорением, создает возмущение пространства-времени — гравитационную волну. Это возмущение тем больше, чем выше ускорение и масса объекта.

Из-за слабости гравитационных сил по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Объясняя ОТО гуманитариям, физики часто просят их представить натянутый лист резины, на который опускают массивные шарики. Шарики продавливают резину, и натянутый лист (который олицетворяет пространство-время) деформируется. Согласно ОТО, вся Вселенная — это резина, на которой каждая планета, каждая звезда и каждая галактика оставляют вмятины. Наша Земля вращается вокруг Солнца словно маленький шарик, пущенный кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром.

close

100%

Тяжелый шар — это и есть Солнце

Вполне вероятно, что открытие гравитационных волн, являющееся главным подтверждением теории Эйнштейна, претендует на Нобелевскую премию по физике. «Эйнштейн был бы очень счастлив», — сказала Габриэлла Гонсалез, представитель коллаборации LIGO.

По словам ученых, пока рано говорить о практической применимости открытия. «Хотя разве Генрих Герц (немецкий физик, доказавший существование электромагнитных волн. — «Газета.Ru») мог подумать, что будет мобильный телефон? Нет! Мы сейчас ничего не можем представить, — рассказал Валерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. — Я ориентируюсь на фильм «Интерстеллар». Его критикуют, да, но вообразить ковер-самолет мог даже дикий человек. И ковер-самолет реализовался в самолет, и все. А здесь уже нужно представить что-то очень сложное. В «Интерстелларе» один из моментов связан с тем, что человек может путешествовать из одного мира в другой. Если так представить, то верите ли вы, что человек может путешествовать из одного мира в другой, что может быть много вселенных — все, что угодно? Я не могу ответить «нет». Потому что физик не может ответить на такой вопрос «нет»! Только если это противоречит каким-то законам сохранения! Есть варианты, которые не противоречат известным физическим законам. Значит, путешествия по мирам могут быть!»

Что создает гравитационные волны? | Astronomy.com

Подобно лодке, которая создает волны на озере, скользя вперед по воде, звезды и другие тела во Вселенной создают рябь в ткани пространства-времени.

По
Дэвид Дж. Эйчер |
Опубликовано: понедельник, 1 июля 2019 г.

ПОХОЖИЕ ТЕМЫ:
ВЕЛИКИЕ ЗАГАДКИ | ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ

ВОЛНИСТЫЙ УДАР. 90 010 Взрывы сверхновых, подобные тому, который породил Крабовидную туманность (M1) в созвездии Тельца в 10 54 году, являются значительными источниками гравитационных волн.

НАСА/Группа наследия Хаббла

В 1916 году Альберт Эйнштейн произвел революцию в нашем понимании Вселенной, опубликовав свою общую теорию относительности. В нем физик немецкого происхождения описал сложную взаимосвязь между тканью пространства-времени и массой небесных тел. Пространство-время представляет собой комбинацию трех пространственных направлений (высоты, ширины и глубины) с измерением времени.

По словам Эйнштейна, самый простой способ интерпретировать гравитационные взаимодействия — представить пространственно-временной континуум растяжимым материалом, который изгибается, когда массивные объекты «сидят» внутри него. Хотя эта двухмерная аналогия не отражает того, что происходит в четырехмерном пространстве-времени, она служит подходящей моделью.

Принесите вселенную к вашей двери. Мы рады объявить о новой коробке подписки журнала Astronomy «Космос и дальше» — ежеквартальном приключении, в каждой коробке которого собрана коллекция на астрономическую тематику. Подробнее >>.

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. Черные дыры являются важными источниками гравитационных волн. На этом изображении показана центральная сверхмассивная галактика, питающая активную галактику PKS 0521–36.

Dana Berry/STScI

Когда вы туго растягиваете гибкий пластиковый лист и кладете на него мяч для софтбола, сила тяжести вокруг мяча толкает лист вниз и изгибает ткань. То же самое происходит и в четырехмерной вселенной. Рядом с реальными массивными объектами, обладающими сильным гравитационным притяжением, «ткань» пространства-времени искривляется и растягивается.

Массивные объекты вызывают еще один эффект в ткани пространства-времени. Точно так же, как лодка создает волны на озере, скользя вперед по воде, звезды и другие тела во Вселенной создают рябь в ткани пространства-времени, когда они движутся. Астрономы называют эту рябь гравитационными волнами.

Огромные объекты, такие как черные дыры, создают более сильные гравитационные волны, чем менее массивные объекты. Точно так же объекты, быстро движущиеся в пространстве, создают более устойчивые гравитационные волны, чем более медленные. Однако когда эти сигналы гравитационных волн наконец достигают Земли, они чрезвычайно слабы. Подобно волнам в воде, гравитационные волны ослабевают по мере их удаления от источника. Таким образом, гравитационные волны трудно обнаружить и интерпретировать, когда они достигают нас из разных отдаленных мест.

Но после многих лет поисков, в конце 2015 года, исследователи наконец обнаружили первый четкий сигнал гравитационной волны, проходящей через Землю. Этот сигнал, получивший название GW150914, возник в результате слияния двух черных дыр с общей массой примерно в 60 солнц. С тех пор ученые подтвердили сигналы гравитационных волн от четырех дополнительных сливающихся пар черных дыр, а также от сливающейся пары нейтронных звезд.

Благодаря этим обнаружениям астрономы теперь знают, что взаимодействие двух компактных и массивных тел обычно вызывает гравитационные волны. Взаимодействия могут быть между двойными черными дырами или нейтронными звездами, но они также могут быть между сливающимися галактиками или обычными звездами, которые просто сталкиваются друг с другом.

ВРАЩАЮЩАЯСЯ ЗВЕЗДА. Гравитационные волны исходят от самых разных объектов, включая пульсары, быстро вращающиеся нейтронные звезды. Используя Rossi X-ray Timing Explorer НАСА, астрономы в 2003 году нашли верхний предел вращения пульсара, основываясь на вспышке пульсара, показанной на этой серии иллюстраций.

Дана Берри/STScI

Чтобы обнаружить эти слабые сигналы гравитационных волн, астрономы используют технику, называемую интерферометрией. Две большие пробные массы, расположенные на большом расстоянии друг от друга, служат детекторами. Массы могут свободно перемещаться во всех направлениях, а лазеры непрерывно измеряют точное расстояние между ними. Когда через них проходит гравитационная волна, космическая рябь заставляет их расстояние слегка колебаться. Это оригинальный метод, и ученые использовали такие устройства в нескольких местах по всему миру для поиска гравитационных волн.

Усовершенствованная лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), совместный проект Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института, расположена в двух местах: одно в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другое в Ливингстоне, штат Луизиана. Объединение с LIGO представляет собой сотрудничество Virgo под руководством Франции и Италии, которое управляет усовершенствованным интерферометром Virgo, третьим детектором гравитационных волн, который позволяет исследователям лучше определять источники событий гравитационных волн, подобных тем, которые были обнаружены в последние годы.

Помимо всех этих наземных проектов, Европейское космическое агентство (ЕКА) планирует запустить в 2034 году космическую антенну лазерного интерферометра (LISA). NASA запустила спутник LISA Pathfinder в 2016 году. Поскольку Pathfinder намного превзошел ожидания, проект LISA, вероятно, предоставит лучшую обсерваторию для обнаружения гравитационных волн и даст астрономам важные сведения о взаимодействии материи и пространства-времени, а также о том, как Вселенная Пришел что бы быть.

Могут ли гравитационные волны нанести ущерб Земле?

Иллюстрация слияния двух черных дыр с массой, сравнимой с той, которую впервые увидел LIGO. В центрах… [+] некоторых галактик могут существовать сверхмассивные двойные черные дыры, создающие сигнал намного сильнее, чем показано на этом рисунке, но с частотой, к которой LIGO не чувствителен. Если бы черные дыры были достаточно близко, они могли бы, в принципе, передать Земле достаточно энергии, чтобы вызвать заметные эффекты.

SXS, проект моделирования экстремального пространства-времени (SXS) (http://www.black-holes.org)

Вселенная не статичное, стабильное место. Из огромного набора простых атомов газовые облака коллапсируют, образуя звезды и планеты, которые затем проходят свой индивидуальный жизненный цикл. Самые массивные звезды умрут в катастрофических событиях, таких как сверхновые звезды, оставив после себя звездные остатки, такие как нейтронные звезды и черные дыры. Многие из этих нейтронных звезд и черных дыр затем сблизятся и сольются, высвобождая огромное количество энергии в виде гравитационных волн. Свет и частицы, произведенные таким образом, способны нанести ущерб здесь, на Земле, но как насчет самих гравитационных волн? Это вопрос Брайана Бреттшнайдера, как он задает:

Гравитационные волны, обнаруженные на Земле с помощью LIGO, распространялись на большие расстояния и были довольно слабыми на единицу объема пространства к тому времени, когда они прибыли. Если бы они возникли намного ближе к Земле, они были бы более энергичными с нашей точки зрения. Каково будет воздействие энергичных гравитационных волн, создаваемых локально, на близлежащие объекты. Я думаю о слиянии бинарных черных дыр массой около 30 солнечных. Будут ли гравитационные волны заметны? Могут ли они нанести ущерб?

Это отличный вопрос , который ставит в тупик даже некоторые из величайших умов в истории.

Анимированный взгляд на то, как пространство-время реагирует на движение массы через него, помогает продемонстрировать, как именно,… [+] качественно, это не просто лист ткани, но все само трехмерное пространство искривляется присутствием и свойствами материи и энергии во Вселенной. Несколько масс на орбите друг вокруг друга вызовут излучение гравитационных волн.

LucasVB

Общая теория относительности, наша современная теория гравитации, была впервые предложена Альбертом Эйнштейном в 1915. Уже в следующем, 1916 году, Эйнштейн сам вывел неожиданное свойство своей теории: она допускала распространение нового типа излучения, которое было чисто гравитационным по своей природе. Это излучение, известное сегодня как гравитационные волны, обладало некоторыми свойствами, которые было легко выделить: оно не имело массы и распространялось со скоростью гравитации, которая должна равняться скорости света.

Но что не было очевидно, по крайней мере не сразу, так это то, были ли эти волны реальными, физическими, энергонесущими явлениями, или же они были чисто математическим артефактом, не имеющим никакого физического смысла. В 1936 года Эйнштейн и Натан Розен (прославившиеся мостом Эйнштейна-Розена и парадоксом ЭПР) написали статью под названием «Существуют ли гравитационные волны?» В статье, представленной в журнал Physical Review , они утверждали, что нет.

Когда гравитационная волна проходит через какое-то место в космосе, она вызывает расширение и. .. [+] сжатие в разное время в разных направлениях, в результате чего длины плеч лазера меняются во взаимно перпендикулярных ориентациях. Используя это физическое изменение, мы разработали успешные детекторы гравитационных волн, такие как LIGO и Virgo.

ESA–C.Carreau

Они утверждали, что эти гравитационные волны были математическими и не существовали физически, точно так же, как «0», который, как мы предполагаем, находится на конце линейки, физически не существует. К счастью, статья была отклонена по рекомендации анонимного рецензента, которым оказался физик Говард Робертсон, которого поклонники космологии могли узнать по букве «R» в метрике Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера.

Робертсон, также работающий в Принстоне, тайком указал Эйнштейну, как правильно поступить с допущенной им ошибкой, что изменило вывод. Гравитационные волны, появившиеся в перепредставленной версии, принятой в 1937 с другим заголовком в другом журнале предсказал физически реальные волны. 2, и увидит эти волны во всех направлениях, независимо от того, обращены ли они лицом к лицу. на или на ребро, или где-нибудь посередине.

NASA, ESA и A. Feild (STScI)

Если эти волны существуют, физически реальны и также несут энергию, то возникает важный вопрос, могут ли они передать эту энергию в материю, и если да, то каким образом процесс. В 1957 году в Чапел-Хилл, штат Северная Каролина, состоялась первая американская конференция по общей теории относительности, ныне известная как GR1. Присутствовали некоторые титанические фигуры в мире физики, в том числе Брайс ДеВитт, Джон Арчибальд Уилер, Джозеф Вебер, Герман Бонди, Сесиль ДеВитт-Моретт и Ричард Фейнман.

Хотя Бонди быстро популяризировал конкретный аргумент, возникший на конференции, именно Фейнман предложил ход рассуждений, который мы теперь называем аргументом липкой бусинки. Если представить, что у вас есть тонкий стержень с двумя бусинами на нем, один из которых закреплен, а другой может скользить, то расстояние между бусинами изменится, если гравитационная волна пройдет через него перпендикулярно направлению стержня.

Аргумент Фейнмана состоял в том, что гравитационные волны будут перемещать массы вдоль стержня, так же как… [+] электромагнитные волны перемещают заряды вдоль антенны. Это движение вызовет нагрев из-за трения, демонстрируя, что гравитационные волны несут энергию. Принцип аргумента липких шариков позже лег в основу дизайна LIGO.

P. Halpern

Пока бусина и стержень не имеют трения, теплота не выделяется, и конечное состояние системы, состоящей из стержня и бусинки, ничем не отличается от состояния до прохождения гравитационной волны. . Но если есть трение между стержнем и шариком, который может свободно скользить по нему, это движение порождает трение, которое генерирует тепло, являющееся формой энергии. Аргумент Фейнмана не только демонстрирует, что гравитационные волны действительно несут энергию, но и показывает, как извлечь эту энергию из волн и поместить ее в реальную физическую систему.

Когда гравитационная волна проходит через Землю, в ней проявляются те же эффекты, что и в системе шариков-стержней. Когда волна проходила через Землю, это заставляло бы направления, перпендикулярные распространению волны, растягиваться и сжиматься, попеременно и колебательно, под углом 90 градусов друг к другу.